Внедрение беспилотных летательных аппаратов для оперативного решения научно-производственных задач в условиях Михайловского ГОКа им. А.В. Варичева
Р.И. Исмагилов, директор департамента горнорудного производства, ООО УК «МЕТАЛЛОИНВЕСТ»
А.Г. Захаров, управляющий директор, АО «Михайловский ГОК им. А.В. Варичева»
Б.П. Бадтиев, д-р техн. наук, начальник управления мониторинга и перспективного развития горных работ, ООО УК «МЕТАЛЛОИНВЕСТ»
Н.В. Сенин, главный маркшейдер, АО «Михайловский ГОК им. А.В. Варичева»
И.С. Шариков, маркшейдер карьера геолого-маркшейдерского управления, АО «Михайловский ГОК им. А.В. Варичева»
А.А. Павлович, канд. техн. наук, заведующий лабораторией, Санкт-Петербургский горный университет
А.М. Шепель, инженер, Санкт-Петербургский горный университет
Введение
Компания «Металлоинвест» является мировым лидером в производстве товарного горячебрекчиевидного железа, одним из ведущих производителей окатышей и товарной железной руды в мире, а также крупнейшей железорудной компанией в России и СНГ. Компания разрабатывает два месторождения открытым способом – Лебединское и Михайловское, расположенных в одном из наиболее крупных мировых железорудных бассейнов – Курской магнитной аномалии. Одной из приоритетных задач компании является повышение производительности, качества и безопасности ведения горных работ.
На протяжении последних лет наблюдается быстрое развитие беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в промышленности. Горная промышленность не является исключением.
В связи с увеличением глубины отработки карьеров и необходимостью обеспечения емкостей отвалов в ограниченных площадях все больше возрастают требования к безопасности ведения горных и маркшейдерских работ. При этом увеличение численности штата не повышает их оперативности и безопасности. Следовательно, без внедрения новейших технологий в производственный процесс выполнять работы, оставаясь в рамках действующего штата и не теряя качества, становится весьма сложным.
Для повышения качества и оперативности маркшейдерских работ на Михайловском и Лебединском ГОКах были приобретены БПЛА.
На сегодняшний день применение БПЛА в горном деле затруднено из-за отсутствия нормативно-методического обеспечения выполняемых съемок для различных летно-технических условий. Поэтому сотрудниками (департаментом) Михайловского ГОКа было принято решение о проведении летно-технических испытаний. В результате данных испытаний была отработана методика измерений и достигнуты приемлемые показатели качества съемки, а также выявлены основные достоинства и недостатки по сравнению с классическими маркшейдерскими методами измерений.
На основании результатов летно-технических испытаний для внедрения БПЛА в производственный процесс была разработана и утверждена в Ростехнадзоре методика для выполнения маркшейдерских съемок производственных объектов Михайловского ГОКа, а также получено разрешение в Росавиации на его эксплуатацию. В настоящее время на Лебединском ГОКе также проводятся летно-технические испытания БПЛА.
Опыт эксплуатации БПЛА показал, что он может применяться для решения не только традиционных маркшейдерских работ по съемке карьеров и отвалов, но и в перспективе для решения ряда геомеханических задач, таких как: картирование трещин в скальных массивах, изучение процессов выветривания и осыпания горных пород, мониторинг устойчивости откосов, дамб хвостохранилищ и др.
Программно-аппаратный комплекс «Luftera LQ-4»
- Рис. 1 Программно-аппаратный комплекс «Luftera LQ-4»
В 2019 г. на Михайловском ГОКе для оптимизации процессов производства маркшейдерских работ был приобретен программно-аппаратный комплекс «Luftera LQ-4» (рис. 1). Отличительной особенностью данного беспилотного летательного аппарата (БПЛА) является установка на борт квадрокоптера двухчастотного ГНСС приемника геодезического класса NovAtel OEM 617 и специально откалиброванной камеры Sony RX1R2, разрешающая способность матрицы которой составляет 43,6 Мп. В табл. 1 представлены основные летно-технические и оптические характеристики данного аппарата.
- Табл. 1 Летно-технические и оптические характеристики БПЛА
БПЛА различных производителей имеют значительные различия между собой как в летно-технических характеристиках, так и в оптических составляющих. Добавление новых технологий на борт летательного аппарата в значительной степени может изменять точность выполнения съемки и ее продолжительность.
На сегодняшний день применение БПЛА в горном деле затруднено из-за отсутствия нормативно-методического обеспечения выполняемых съемок для различных летно-технических условий.
Летно-технические испытания перед вводом БПЛА в эксплуатацию
Для конкретизации целей и задач, которые рациональны и которые технически возможно выполнить с использованием конкретного БПЛА, необходимо производить летно-технические испытания с привлечением специалистов горных предприятий, производителей техники и научно-технических организаций.
Маркшейдерским штатом Михайловского ГОКа был проведен ряд испытаний приобретенного оборудования перед вводом его в эксплуатацию:
1) При проведении первых аэрофотосъемок установленная на борт квадрокоптера фотокамера была оснащена шторно-щелевым затвором, что ограничивало скорость полета из-за возникающего временного параллакса.
Для решения данной проблемы была приобретена более дорогая камера с центральным затвором Sony RX1R и проведены настройка и проверка калибровочных коэффициентов камеры.
На рис. 2 показано сравнение детализации изображений на нижних горизонтах, полученных старой и новой камерами.
- Рис. 2 Сравнение детализации изображений на нижних горизонтах, полученных старой и новой камерами
2) Квадрокоптер «Luftera LQ-4» оснащен бортовым приемником геодезического класса. Маркшейдерским штатом предприятия было проведено летно-техническое испытание по оценке точности съемки. На земной поверхности площадью 4 км2 было установлено и закоординировано пять опознавательных знаков с использованием глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в режиме «быстрая статика». После проведения испытания на стадии постобработки уравнивание полученной съемки производилось с учетом закоординированных опознаков и их отсутствием. В результате анализа полученных данных было установлено отсутствие необходимости использовать наземные опознаки.
3) В ходе испытаний были проведены замеры в пунктах государственной геодезической сети (ГГС) для вычисления корректных параметров перехода из системы координат WGS-84 в местную систему координат МГОКа.
4) Оснащение летательного аппарата геодезическим приемником дает возможность получать координаты центров фотографии со спутниковых базовых станций. Специалистами предприятия было проведено испытание с использованием трех спутниковых базовых станций, равномерно удаленных от территории выполнения съемки. На этапе обработки данных при уравнивании центров фотографий последовательное исключение базовых станций в разных комбинациях показало влияние на точность определения центров порядка 2 см, что может оказать значительное влияние при выполнении различных задач.
Используемое программное обеспечение
Для обработки данных аэрофотосъемки на предприятии используются три программных комплекса:
1) GraphNav – в данном программном обеспечении проводится обработка «сырых» измерений, полученных с базовой станции и геодезического приемника, установленного на борт квадрокоптера. В результате обработки данных координаты центров фотографий переуравниваются и их точность становится значительно выше.
2) Agisoft Photoscan предназначен для фотограмметрической обработки фотографий с учетом координат их центров. Обработка снимков включает следующие этапы [1]:
• загрузка фотографий в программную среду;
• переход к действующей на предприятии системе координат;
• определение положения и ориентации камеры для каждого кадра;
• загрузка и расстановка маркеров на соответствующие им опознаки для каждого изображения (если выполнялась привязка опознаков в пространстве);
• оптимизация положения камеры. На данном этапе происходит уравнивание положения снимков на основе опознавательных знаков, отснятых с помощью спутниковых систем. В результате уравнивания получаем относительную ошибку положения каждого опознака;
• построение плотного облака точек (среднее качество). Плотное облако точек может быть экспортировано для дальнейшего анализа в различные программные среды. Пример полученного облака точек по результатам съемки участка карьера приведен на рис. 3. В рассматриваемой программе также можно выполнить построение цифровой модели местности, текстурирование объекта, построение ортофотоплана.
- Рис. 3 Пример полученного облака точек по результатам съемки участка карьера
Для улучшения качества фотограмметрической обработки и, как следствие – уменьшения возникающих ошибок, построение плотного облака точек может выполняться в высоком и очень высоком качестве. Для работы в таком качестве необходимы максимально мощные вычислительные машины, иначе построение облака точек может затянуться до 30 дней.
3) Riscan Pro. На основе данных отрофотоплана и полигональной 3D-модели поверхности в программном комплексе производится построение топографических планов, рис. 4.
- Рис. 4 Построение топографического плана на основе аэрофотосъемки в программном комплексе Riscan Pro
В результате испытаний и обработки аэрофотосъемок экспериментально были определены возникающие ошибки уравнивания модели на основе закоординированных опознавательных знаков при помощи спутниковых систем в режиме «быстрая статика». Координаты опознаков, полученные спутниковыми методами, принимались как истинные. В результате сравнения максимальные ошибки в плане составили порядка 4 см, по высоте – до 16 см.
Нормативно-техническое обеспечение по использованию БПЛА в условиях Михайловского ГОКа
После проведения большого количества испытаний и получения опыта использования БПЛА на Михайловском ГОКе была разработана и утверждена в Ростехнадзоре (Федеральная служба по экологическому, технологическому и автономному надзору) «Методика применения программно-аппаратного комплекса «Luftera LQ-4» в целях выполнения маркшейдерских съемок производственных объектов АО «Михайловский ГОК».
Основными положениями данной методики стали:
• анализ нормативно-методических документов в области производства маркшейдерских съемок, выполняемых при обеспечении производственной деятельности АО «Михайловский ГОК»;
• виды маркшейдерских съемок, выполняемых с применением программно-аппаратных комплексов (ПАК) для обеспечения производственной деятельности АО «Михайловский ГОК»;
• обоснование точности определения величин при производстве маркшейдерских съемок с применением ПАК;
• последовательность и содержание операций при производстве маркшейдерских съемок с применением ПАК;
• требования к результатам съемок;
• требования к подготовке и квалификации специалистов;
• требования к технике безопасности.
Данный документ устанавливает нормативно-технические требования к маркшейдерскому обеспечению производственной деятельности АО «Михайловский ГОК» фотограмметрическим методом с применением программно-аппаратного комплекса Luftera LQ-4.
Для использования БПЛА в воздушном пространстве Российской Федерации предприятием было получено разрешение в Росавиации.
Применение БПЛА на Михайловском ГОКе для решения научно-производственных задач
На сегодняшний день на предприятии использование беспилотного летательного аппарата нашло широкое применение. С использованием БПЛА выполняются такие маркшейдерские работы, как съемки развалов взрывов, карьера, забоев, экскаваторов, труднодоступных участков карьера и отвалов, деформаций, положения ж/д путей, промплощадок комбината, а также множество других стандартных работ. За время использования БПЛА было выполнено 52 полета, отснятая площадь составила порядка 42 км2.
Применение беспилотных летательных аппаратов не ограничивается приведенными выше работами. Маркшейдерским отделом Михайловского ГОКа планируется продолжать развивать данное направление.
Беспилотные летательные аппараты могут быть применены для изучения геомеханических условий месторождения, среди которых выделяются:
• картирование трещин в скальных массивах;
• изучение процессов выветривания и осыпания горных пород;
• мониторинг устойчивости откосов;
• уточнение геологического строения массива.
Одним из следующих этапов развития аэрофотосъемки является мониторинг устойчивости отвалов. Складирование вскрышных пород осуществляется в четыре внешних отвала, общая площадь которых составляет порядка 40 км2. Основания отвалов осложнены развитой овражно-балочной сетью, а также наличием слабых по своим несущим способностям пойменных отложений.
При возникновении сдвижений и деформаций на отвалах аэрофотосъемка имеет множество преимуществ относительно классических маркшейдерских методов съемки:
1) выполнение съемки в момент деформирования откосов отвала;
2) сплошное покрытие территории съемки. Труднодоступные и опасные места при стандартных маркшейдерских съемках снимаются не в полном объеме. Сплошное покрытие позволит строить тепловые карты смещений и оценивать конкретные участки;
3) в результате аэрофотосъемки полученная модель является более плотной. Данное преимущество является важным, т.к. при дальнейшей оценке устойчивости откосов отвала по максимально точной модели получатся более достоверные результаты;
4) скорость съемки значительно выше. С учетом обработки за день можно получить полное представление о состоянии отвала, осуществить обновление планов горных работ, а также обнаружить все скопления вод и возникшие деформации, что является невозможным при классических маркшейдерских работах за столь короткое время;
5) использование программного-аппаратного комплекса «Luftera LQ-4» максимально минимизирует человеческий фактор при выполнении съемок. При классических маркшейдерских работах возникают ошибки при центрировании, наведении, взятии отчетов, горизонтировании и др.
На основе данных преимуществ, а также полученных точностей аэрофотосъемки с применением БПЛА, был составлен график выполнения съемки на территориях отвального хозяйства в зависимости от возникшей скорости смещений реперов, установленных на конкретном участке, рис. 5. При составлении графика аэрофотосъемки был использован более консервативный подход к оценке точности определений центров фотографий, а следовательно, и точности конечной цифровой модели. На основе многолетнего опыта использования ГНСС было выявлено, что точность съемки зависит от множества трудно учитываемых факторов. В связи с этим точность определения координат центров фотографий, полученных при аэрофотосъемке с использованием геодезического приемника, может быть ниже, чем получена при испытаниях.
- Рис. 5 График выполнения аэрофотосъемки внешних отвалов рыхлой вскрыши на основе БПЛА в зависимости от скорости его деформирования
Для однозначной интерпретации возникающих смещений учитывается тройная средняя квадратическая ошибка [3]. Данный график является предварительным, в ходе выполнения работ необходимо будет оценить прецизионность съемок и скорректировать график.
При возникновении деформаций мониторинг тела отвала может выполняться с использованием БПЛА, а на участках, приграничных к деформации, с использованием классических инструментальных наблюдений. Комплексный подход позволяет повысить безопасность ведения маркшейдерских работ, а также качество получаемых данных.
Основные недостатки беспилотных летательных аппаратов
БПЛА, как и любой другой инструмент, имеет как преимущества, так и недостатки, среди которых можно выделить:
• ограниченность применения из-за метеоусловий (туман, дождь, снег, град, ветер свыше 10 м/c, температура окружающей среды ниже –20 и выше +40 град.);
• сезонность. При выпадении снега выполнение качественной съемки невозможно;
• влияние растительности на качество построения топоповерхности;
• для обработки данных необходимы мощные вычислительные машины.
Заключение
В последние годы наблюдается быстрое развитие БПЛА в горной промышленности. С выходом новых летательных аппаратов идет их оснащение передовыми оптическими и геодезическими технологиями, повышающими качество аэрофотосъемки.
Компания, покупающая себе летательный аппарат, должна самостоятельно (с привлечением научно-технических организаций) произвести летно-технические испытания и определить виды работ, которые можно выполнять с применением данной техники, что и было выполнено на Михайловском ГОКе.
Стоит сказать о необходимости взаимодействия производителей техники с ведущими горными предприятиями страны и научно-исследовательскими организациями для модернизации и устранения недостатков продаваемой продукции.
Проведенные на Михайловском ГОКе летно-технические испытания позволили решить ряд сложностей, в первую очередь связанных с точностью измерений и обработкой результатов измерений с использованием БПЛА. В результате была разработана адаптированная для предприятия методика проведения маркшейдерских съемок.
Применение БПЛА для мониторинга устойчивости внешних отвалов рыхлой вскрыши Михайловского ГОКа позволит снизить объемы проводимых наблюдений и повысить представительность получаемых результатов, а также повысит безопасность ведения маркшейдерских работ. Использование аэрофотосъемки на больших территориях с применением БПЛА является перспективным направлением в оптимизации съемочных работ, в сторону которого и движется предприятие.
К перспективным направлениям использования БПЛА также можно отнести картирование трещин и разломов в массиве и мониторинг устойчивости отвалов.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
